專利名稱：模塊化便攜式移動機器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種智能移動機器人平臺，特別是一種模塊化便攜式移動機器人 系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
移動機器人平臺是一種能夠自主或者半自主移動的機器人，其行走方式有輪式、 履帶式、兩足式、四足式、多足式等。機器人經(jīng)常會攜帶一些傳感器和驅(qū)動裝置，實現(xiàn)特定的 功能，能夠用于娛樂、家用、教學(xué)、軍用、安防等領(lǐng)域。目前的移動機器人系統(tǒng)具有各式各樣的組成結(jié)構(gòu)，比如輪式的足球比賽機器人， 四足機器狗，兩足人形機器人，履帶式可以越障的室外機器人等。已經(jīng)有研究者將模塊化的 概念引入機器人設(shè)計領(lǐng)域2005年《高教裝備》第11期第45頁公開了“可擴展教學(xué)機器人 系統(tǒng)設(shè)計”，介紹了一種可以擴展的機器人系統(tǒng)設(shè)計方法，引入組件化概念，將機器人組件 進行分類，并通過一定的接口形式連接。目前成熟的產(chǎn)品有德國PowerCube公司的可重組 的模塊化機器人，提供一系列具有標準機械和電子接口的功能模塊，由許多功能關(guān)節(jié)可以 組成各種形狀和功能的多自由度手臂、人形、蛇形機器人等。多自由度并聯(lián)機器人也采用了 模塊化的設(shè)計思想。以上這些研究和應(yīng)用僅限于機械臂結(jié)構(gòu)，通用性差，尚不能適合移動式 的機器人系統(tǒng)。在移動機器人模塊化設(shè)計方面，專利申請?zhí)枮?00710041709. 6的“模塊化及標準 化組件構(gòu)成的機器人”介紹了一種模塊化及標準化組件構(gòu)成的機器人，提出一種機器人模 塊化、標準化組件安裝方法，將機器人部件中具有類似功能的部分融合為一體，成為一個標 準組件，方便組件之間的組裝。但此項研究僅限于機器人機械安裝方面的標準化和模塊化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種擴展方 便、控制簡單的模塊化便攜式移動機器人系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案是—種模塊化便攜式移動機器人系統(tǒng)，包括控制單元模塊、驅(qū)動單元模塊、移動平臺 模塊、翻轉(zhuǎn)臂模塊、能源模塊、傳感器模塊、標準接口模塊；所述能源模塊內(nèi)嵌于所述移動平 臺模塊內(nèi)，所述翻轉(zhuǎn)臂模塊與所述移動平臺模塊連接，所述控制單元模塊通過所述驅(qū)動單 元模塊與所述移動平臺模塊相連，所述傳感器模塊通過標準接口模塊與所述控制單元模塊 相連；所述的標準接口模塊包含了電源和通信總線；所述傳感器模塊與所述控制單元模塊 通過標準接口模塊實現(xiàn)電氣和機械連接，且在同一通信總線上，具有各自的CPU和控制系 統(tǒng)，相互之間采用標準的通信協(xié)議相互通信。所述控制單元模塊包括主控制器、操作控制單元和控制軟件系統(tǒng)；所述主控制器 通過標準的總線系統(tǒng)和標準協(xié)議與所述驅(qū)動單元模塊、所述傳感器模塊通信；所述主控制 器包含主控CPU、運動控制CPU和通訊控制CPU ；主控CPU用于整體決策、任務(wù)分配、傳感器信息采集及處理、外圍擴展器件的控制和管理、電源管理；運動控制CPU用于控制機器人的 操作動作；通訊控制CPU用于主控制器各個CPU之間的通信協(xié)議及與主控制器與外圍CPU 節(jié)點和所述操作控制單元的通信。所述移動平臺模塊為輪式機構(gòu)或履帶式機構(gòu)。所述驅(qū)動單元模塊包括移動平臺驅(qū)動模塊和翻轉(zhuǎn)臂驅(qū)動模塊；所述移動平臺驅(qū)動 模塊由直流伺服電機、電機編碼器、電機驅(qū)動器、減速箱、傳動機構(gòu)組成，電機驅(qū)動器從所述 控制單元模塊接收指令驅(qū)動所述直流伺服電機，經(jīng)由所述傳動機構(gòu)傳動到所述移動平臺模 塊，驅(qū)動機器人行走；所述翻轉(zhuǎn)臂驅(qū)動模塊包括翻轉(zhuǎn)電機、電機編碼器、電機驅(qū)動器、減速箱 和傳動機構(gòu)，從所述控制單元模塊發(fā)出的信號驅(qū)動所述翻轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)，再帶動所述翻轉(zhuǎn)臂 模塊旋轉(zhuǎn)。所述翻轉(zhuǎn)臂模塊包含一根翻轉(zhuǎn)臂軸，由翻轉(zhuǎn)臂驅(qū)動模塊的翻轉(zhuǎn)電機驅(qū)動無角度限 制連續(xù)旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的有益效果1、提出了機器人整體系統(tǒng)模塊化設(shè)計的思想，并將其應(yīng)用在便攜式移動機器人的 設(shè)計當(dāng)中。本發(fā)明中的模塊化便攜式移動機器人系統(tǒng)從機械、電子和軟件三方面實現(xiàn)了模 塊化，使機器人功能擴展容易，控制簡單，方便進行多機器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和作業(yè)。2、機器人系統(tǒng)在機械和電子設(shè)計上進行了模塊化，模塊之間采用標準接口模塊相 互連接，同時實現(xiàn)機械和電氣的連接關(guān)系。標準接口模塊包含了電源和通信總線，模塊相互 連接時不需要任何外部連線，每個功能模塊在總線上相當(dāng)于一個控制節(jié)點，節(jié)點沒有主從 之分，地位平等，各自獨立，某個節(jié)點故障不會影響到其他節(jié)點。3、功能模塊在連接接口和總線通信協(xié)議具有相同的特征，可以由類似功能的模塊 替代，方便了模塊間的安裝，可以根據(jù)不同用戶的需求迅速地組裝機器人平臺，便于擴展性 能，降低了機器人系統(tǒng)的設(shè)計、集成、安裝、擴展、維修和更新?lián)Q代的成本。同時，這種機械電 子模塊化的設(shè)計簡化了機器人的控制設(shè)計，為實際使用中機器人的配件擴展提供了方便。 這種設(shè)計也使進行多機器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作業(yè)更加方便。3、構(gòu)建了一種模塊化便攜式移動機器人，重量輕(小于25kg)，攜帶方便，并能夠 在全地形、全天候運行。具有2m/s的移動速度，能夠攀爬40°的樓梯，可以選裝多種傳感 器配件和機械臂等，完成特定的作業(yè)。機器人能夠用在軍用、公共安全、民用、教育研究等領(lǐng) 域。

圖1為本發(fā)明架構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明機械結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明控制框圖。
具體實施方式
一種模塊化便攜式移動機器人系統(tǒng)，如圖1所示。模塊化便攜式移動機器人平臺 10主要由能源模塊20、翻轉(zhuǎn)臂模塊30、移動平臺模塊40、驅(qū)動單元模塊50、控制單元模塊 60、傳感器模塊70、標準接口模塊80等組成。[0021]所述能源模塊20給控制模塊、傳感器模塊、驅(qū)動模塊等供電.參照圖2，能源模塊 20包含電池21，電池支架22以及電源控制板等。電池21由電池支架22固定，用螺絲把電 池支架安裝在移動平臺模塊40兩側(cè)履帶機構(gòu)的支撐板上。電池21同時，電池21完全采 用模塊化設(shè)計，安裝和拆卸非?？焖?，電池可以在機器人上在線充電，也可以拿下來離線充 電。雖然是可隨時拆卸的電池模塊，由于采用了標準接口，進行了防水處理，機器人可以在 水中行駛而不必擔(dān)心電池的安全。機器人最多可安裝四塊動力鋰電池，左右各安裝兩塊。電 源控制板實現(xiàn)電源的轉(zhuǎn)換、電源傳輸和電源無縫切換功能。電源控制板的另一個功能是采 用繼電器的方式實現(xiàn)電池與外接直流電源之間的無縫切換沒有接入外接電源時采用電池 供電，當(dāng)插入外接電源時，切斷電池的供電回路，這樣能夠保護電池，延長了電池使用壽命。參照圖2，在本實施例中機器人左右各一個翻轉(zhuǎn)臂模塊30。翻轉(zhuǎn)臂模塊30包括 翻轉(zhuǎn)履帶31、主動輪32、輔助輪33、支撐板34等。從左右兩側(cè)的履帶機構(gòu)貫穿一根由翻轉(zhuǎn) 驅(qū)動及傳動機構(gòu)501的翻轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的軸，軸的中心線與履帶機構(gòu)主動輪的輪軸中心線重 合，兩端裝有軸承，翻轉(zhuǎn)臂模塊30的兩個主動輪32安裝在軸承上。翻轉(zhuǎn)臂的主動輪32與 履帶機構(gòu)的主動輪422同心安裝，相互之間為間隙配合，分別由各自電機帶動。翻轉(zhuǎn)臂模塊 可以繞其軸360度旋轉(zhuǎn)，從而起到輔助機器人適應(yīng)各種復(fù)雜地形的作用。參照圖2，本實施例中機器人的移動平臺模塊40由底盤41、履帶機構(gòu)42和上面板 43組成。底盤和上面板采用鋁合金機加工而成。每個履帶機構(gòu)42包含一條履帶421，一個 主動輪422、一個從動輪423、12個輔助輪424、一個支撐板425。履帶機構(gòu)42用螺絲螺母固 定在機器人的底盤41上，上面板43與底盤41相連接，共同構(gòu)成移動平臺框架。履帶機構(gòu) 與底盤、底盤與上面板之間接合處采用密封圈做防水密封，驅(qū)動機構(gòu)的電機輸出軸與主動 輪的接合處采用動密封，機器人能在水下運行。參照圖2，驅(qū)動單元模塊50包含履帶驅(qū)動及傳動機構(gòu)501，翻轉(zhuǎn)臂驅(qū)動及傳動機構(gòu) 502。履帶驅(qū)動機構(gòu)501包括直流伺服電機、電機編碼器、電機驅(qū)動器。傳動機構(gòu)包括齒輪 組、軸承等。電機驅(qū)動器從控制單元接收指令來驅(qū)動直流伺服電機，經(jīng)由傳動機構(gòu)到達主動 輪，再由主動輪帶動整個履帶運動，從而驅(qū)動機器人行走。電機驅(qū)動器控制電機的轉(zhuǎn)速，根 據(jù)控制單元模塊60發(fā)出的信號控制直流伺服電機的轉(zhuǎn)動方向。每個直流伺服電機帶有一 個增量型編碼器，采集位置信息，實現(xiàn)機器人運動的閉環(huán)控制。機器人的運動控制采用開環(huán) 和閉環(huán)兩種方式，閉環(huán)包含速度環(huán)、位置環(huán)和電流環(huán)。履帶驅(qū)動機構(gòu)采用直流電機，專用的 大電流電機驅(qū)動芯片，保證了機器人能夠同時具備大負載和高速度。翻轉(zhuǎn)臂的驅(qū)動和傳動 機構(gòu)502由翻轉(zhuǎn)電機、電機編碼器、電機驅(qū)動器、齒輪和傳動機構(gòu)組成。從控制單元模塊發(fā) 出的信號驅(qū)動翻轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)，再帶動翻轉(zhuǎn)臂主動輪旋轉(zhuǎn)，從而使整個翻轉(zhuǎn)臂繞主動輪軸旋 轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)臂在機器人爬樓梯、翻轉(zhuǎn)等動作中起支撐作用，是使機器人適應(yīng)全地形作業(yè)的重要 部件?？刂茊卧K60包括機器人本體的主控制器、操作者控制單元OCU和控制軟件系 統(tǒng)組成。主控制器共用了三片CPU，一片CPU做主控，一片CPU專司運動控制，一片CPU專司 通訊控制。主控CPU負責(zé)整體決策、任務(wù)分配、傳感器信息采集及處理、外圍擴展器件的控 制和管理、電源管理等。運動控制芯片負責(zé)機器人平臺的前后移動、翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、爬樓梯等動 作。通訊控制芯片負責(zé)各個CPU之間的通信。參照圖3，主控CPU從電源系統(tǒng)獲得電源，并對電源系統(tǒng)進行電源管理。用戶開關(guān)
5或者按鈕給主控CPU發(fā)開關(guān)信號，以使控制單元響應(yīng)用戶的操作。主控CPU控制指示燈，給 用戶提示機器人目前的狀態(tài)。主控CPU中集成了傳感器的信息采集及處理、圖像處理與模 式識別、地圖構(gòu)建、決策和任務(wù)分配等程序模塊，能夠根據(jù)各種環(huán)境和任務(wù)目標控制機器人 的動作。運動控制CPU給左、右電機和翻轉(zhuǎn)電機發(fā)控制信號，控制電機的旋轉(zhuǎn)。各個電機的 編碼器將旋轉(zhuǎn)角度脈沖信號反饋給運動控制CPU。主控CPU根據(jù)傳感器構(gòu)建出環(huán)境地圖，發(fā) 出運動控制命令給運動控制CPU，運動控制CPU給電機發(fā)控制信號，并從編碼器獲得反饋信 號，經(jīng)計算后將位置和速度等信息通過CAN總線傳遞給主控CPU，使之了解機器人當(dāng)前所處 的位置及狀態(tài)，以便進行下一步的控制。通訊CPU負責(zé)主控制器的各個CPU之間的通信協(xié)議及主控制器與外圍功能模塊控 制節(jié)點和OCU的通信任務(wù)。CPU之間的通信包括控制器中主控制器中三個芯片之間的通信， 主控制器與標準接口模塊之間的通信，遙控終端與主控制器之間的無線通訊。主控制器的 三個CPU、以及各個功能模塊均為獨立的通信節(jié)點，本實施例采用了 CAN協(xié)議進行通信，所 有節(jié)點地位平等，任一個故障不會影響系統(tǒng)中的系統(tǒng)節(jié)點，系統(tǒng)可靠性增強。實施例保留了 以太網(wǎng)和RS232通信接口，因此也可以采用這兩種協(xié)議進行通信。操作者控制單元OCU由一臺筆記本電腦、無線通信模塊、遙控手柄和攜帶箱組成。 主控制器端也有一個無線通信模塊，本實施例中，OCU與通信CPU之間的無線通訊采用標準 的TCP/IP協(xié)議。采用遙控模式時，操作者通過OCU中的遙控手柄或者鍵盤發(fā)送的控制命令， 通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給主控制器，由主控制器來控制機器人的運動。機器人由視覺傳感器看 到的圖像視頻由主控制器通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給0CU，操作者可以看到機器人實時環(huán)境，從而 能夠精確操作機器人。參照圖2，傳感器模塊70包含攝像機、PSD等傳感器。傳感器模塊具有獨立的CPU， 與機器人本體間通過標準接口模塊80實現(xiàn)電氣和機械上的連接。傳感器采集的信息通過 通信總線傳送給機器人的控制單元模塊60，機器人發(fā)出的控制信息從控制單元模塊60通 過通信總線傳送給傳感器模塊的CPU。標準接口模塊80包含了電源和通信總線，通過標準接口模塊80可以實現(xiàn)不同功 能模塊之間的電氣和機械連接，連接后的功能模塊統(tǒng)一供電，位于同一條通信總線上。使用 標準接口模塊80連接功能模塊與傳統(tǒng)方式不同的是不需要外部連線，同時實現(xiàn)了電氣和 機械兩種連接，使模塊更換便捷，移植方便。
權(quán)利要求一種模塊化便攜式移動機器人系統(tǒng)，其特征在于包括控制單元模塊、驅(qū)動單元模塊、移動平臺模塊、翻轉(zhuǎn)臂模塊、能源模塊、傳感器模塊、標準接口模塊；所述能源模塊內(nèi)嵌于所述移動平臺模塊內(nèi)，所述翻轉(zhuǎn)臂模塊與所述移動平臺模塊連接，所述控制單元模塊通過所述驅(qū)動單元模塊與所述移動平臺模塊相連，所述傳感器模塊通過標準接口模塊與所述控制單元模塊相連；所述的標準接口模塊包含了電源和通信總線；所述傳感器模塊與所述控制單元模塊通過標準接口模塊實現(xiàn)電氣和機械連接，且在同一通信總線上，具有各自的CPU和控制系統(tǒng)，相互之間采用標準的通信協(xié)議相互通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化便攜式移動機器人系統(tǒng)，其特征在于所述控制單元 模塊包括主控制器、操作控制單元和控制軟件系統(tǒng)；所述主控制器通過標準的總線系統(tǒng)和 標準協(xié)議與所述驅(qū)動單元模塊、所述傳感器模塊通信；所述主控制器包含主控CPU、運動控 制CPU和通訊控制CPU ；主控CPU用于整體決策、任務(wù)分配、傳感器信息采集及處理、外圍擴 展器件的控制和管理、電源管理；運動控制CPU用于控制機器人的操作動作；通訊控制CPU 用于主控制器各個CPU之間的通信協(xié)議及與主控制器與外圍CPU節(jié)點和所述操作控制單元 的通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化便攜式移動機器人系統(tǒng)，其特征在于所述移動平臺 模塊為輪式機構(gòu)或履帶式機構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化便攜式移動機器人系統(tǒng)，其特征在于所述驅(qū)動單元 模塊包括移動平臺驅(qū)動模塊和翻轉(zhuǎn)臂驅(qū)動模塊；所述移動平臺驅(qū)動模塊由直流伺服電機、 電機編碼器、電機驅(qū)動器、減速箱、傳動機構(gòu)組成，電機驅(qū)動器從所述控制單元模塊接收指 令驅(qū)動所述直流伺服電機，經(jīng)由所述傳動機構(gòu)傳動到所述移動平臺模塊，驅(qū)動機器人行走； 所述翻轉(zhuǎn)臂驅(qū)動模塊包括翻轉(zhuǎn)電機、電機編碼器、電機驅(qū)動器、減速箱和傳動機構(gòu)，從所述 控制單元模塊發(fā)出的信號驅(qū)動所述翻轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)，再帶動所述翻轉(zhuǎn)臂模塊旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模塊化便攜式移動機器人系統(tǒng)，其特征在于所述翻轉(zhuǎn)臂模 塊包含一根翻轉(zhuǎn)臂軸，由翻轉(zhuǎn)臂驅(qū)動模塊的翻轉(zhuǎn)電機驅(qū)動無角度限制連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
專利摘要本實用新型提出一種模塊化便攜式移動機器人系統(tǒng)，包括控制單元、驅(qū)動單元、移動平臺、能源、傳感器、標準接口等功能模塊，功能模塊之間采用包含電源和通信總線的標準接口模塊相互連接，不需要任何外部連線就能同時實現(xiàn)機械和電氣的連接關(guān)系；相互連接的功能模塊位于同一條通信總線上，每個模塊相當(dāng)于一個控制節(jié)點，沒有主從之分，地位平等，各自獨立，某個節(jié)點故障不會影響到其他節(jié)點；功能模塊在連接接口和總線通信協(xié)議具有相同的特征，可由類似功能的模塊替代，可根據(jù)不同用戶的需求迅速地組裝成不同的機器人平臺，便于擴展性能，降低了機器人系統(tǒng)的設(shè)計、集成、安裝、擴展、維修和更新?lián)Q代的成本。
文檔編號B25J5/00GK201744997SQ20102024337
公開日2011年2月16日 申請日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者付西光, 盧秋紅, 呂訓(xùn), 蔣金鵬, 邱平平 申請人:上海中為智能機器人有限公司